船舶機艙交互漫游系統設計及實現

肖劍波　胡大斌　胡錦暉

摘 要： 船舶機艙環境設備眾多、場景復雜、管系縱橫交錯，在此根據機艙訓練需求，開展了基于虛擬現實技術的船舶機艙交互漫游系統研究。分析了基于網絡的分布式系統硬件結構，并采用模塊化設計方式，開展了系統軟件設計，對系統工作流程進行了分析，并對漫游系統中虛擬人、操作手、視點等的矩陣變換進行了研究。試驗結果表明，系統具有較好的沉浸感，可以滿足船員艙室漫游、設備交互操作、聯網訓練的要求。

關鍵詞： 虛擬現實； 機艙； 交互漫游； 聯網訓練

中圖分類號： TN915?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）16?0126?03

Abstract： Since there are multiple equipments， complex scenes and criss?cross pipes in the marine engine room， the virtual reality technology based interactive roaming system for marine engine room is studied according to the training requirements of engine room. The hardware structure of the distributed system based on network is analyzed. The modular design mode is adopted to design the system software， and analyze the system working flow. The matrix transformation of virtual human， manipulator and viewpoint in roaming system is studied. The test results show that the system has perfect immersion， and can meet the mariners′ requirements for engine room roaming， equipment interactive handling and networking training.

Keywords： virtual reality； engine room； interactive roaming； networking training

虛擬現實（Virtual Reality，VR）通過計算機圖形學、人機交互等技術手段，依托計算機及立體眼鏡、數據手套等外設構建逼真的三維化的虛擬環境，給使用者帶來沉浸式體驗，是目前研究的熱點問題之一，已經逐步成熟并應用于游戲、廣告宣傳、軍事訓練、展示設計等方面，顯示出強大的魅力[1]。相比于傳統的實船或半實物仿真訓練而言，基于虛擬現實技術的訓練方式具有費用低、時間短、靈活性強等特點。船舶機艙環境設備眾多、場景復雜、管系縱橫交錯，利用虛擬現實技術構建機艙復雜環境[2]，實現機艙的三維可視化及漫游交互系統，對提高船員培訓效率具有重要的現實意義。

1 機艙交互漫游系統設計

1.1 功能設計

船舶機艙交互漫游系統是以虛擬現實技術、人機交互方式構建的漫游系統[3]，主要實現如下功能：進行第一視角漫游；機艙內部及船外自然環境仿真；操作提示語言顯示及語音播放；系統文件記錄功能；虛擬人與操控臺碰撞檢測功能；虛擬人、手等的實時姿態顯示；操控臺的指令響應；分布式交互仿真。

系統具有離線和聯網兩種使用模式：離線使用時，本系統獨立運行，用戶可對艦船內部艙室布局、設備、艦船外部進行直觀地預覽、評估，并可對設備進行操作控制，開展單系統、單設備獨立訓練；聯網使用時，本漫游交互系統以聯邦成員的形式加入到分布交互式仿真系統中，為崗位人員提供逼真的虛擬工作場景（包括設備的儀表顯示等），同時，將崗位人員的操作信號發送到仿真系統中。

1.2 硬件結構設計

系統基于網絡的分布式硬件結構，硬件組成包括：

（1） 計算機及網絡設備。其功能是連接2臺計算機構成小的局域網以實現相關計算。其中一臺計算機完成左右目三維圖像的實時生成，生成的圖像信號輸出到頭盔顯示器；另一臺計算機為系統綜合計算機，主要完成數據手套、6DOF運動跟蹤傳感器信號的采集、濾波、延時信號補償、計算；船舶六自由度仿真模型解算；網絡數據管理、雙目同步等。

（2） 頭盔式顯示器。其功能是顯示左、右眼成像計算機生成的圖像，在人腦中合成立體感知。選用Proview SR80型頭盔顯示器。分辨率為1 280×1 024，視場角為53°（V）×63°（H），頭盔顯示器頂部后端安裝有接收器，用于完成對操作者頭部位置和姿態的跟蹤，并可以通過旋鈕調整頭盔顯示器瞳孔間距。

（3） 6DOF運動跟蹤傳感器。其功能是完成人的頭和手位置、姿態數據的實時采集與傳輸。系統選用Flock of Birds六自由度跟蹤器，包含2個發射器基座和8個跟蹤器接收器。

（4） 數據手套（Data Glove）。其功能是完成手掌、手指、關節等部分的跟蹤。選用Immersion公司生產的帶有22個光纖傳感器的數據手套，并且帶有觸覺反饋Cyber Touch。手套腕部設置有跟蹤器的接收器，用于實時跟蹤手腕部的運動和姿態。手套內包含22個光纖傳感器，用于跟蹤整個手掌22個位置的姿態。5個手指指端為觸覺反饋裝置，在給定激勵的條件下，內附電機能產生幅值可調的震動，以模擬觸覺反饋。

（5） Wand操作桿。其功能是完成空間無線交互功能。選用Wand操作桿，可以實現三自由度地磁跟蹤，六鍵可編程交互。endprint

硬件結構如圖1所示。

圖2為雙人工作模式的船舶機艙交互漫游系統結構圖，即兩套單人工作模式聯網構成。以類似擴展方式進行擴展，同時可以與其他仿真計算機等進行聯網仿真。

1.3 軟件模塊設計

聯網訓練模式采用HLA1516體系結構，選用Vega Prime，DI?Guy作為三維仿真開發軟件，基于Creator構建場景機艙布局、艙室設備等三維模型，通過Vega Prime實現場景模型的驅動控制及機艙外部自然環境等的渲染，運用DI?Guy實現往場景中添加特定行為的人物，并實現便捷改變虛擬人的服飾、顏色。系統軟件包括場景顯示模塊、硬件設備輸入模塊、界面操作模塊、人物顯示與控制模塊、數據通信模塊、配置文件解析模塊、提示信息模塊、音響效果管理模塊等多個部分，系統領域類圖如圖3所示。

2 系統工作流程及坐標變換

船舶機艙交互漫游系統是典型的人機閉環系統，工作流程如圖4所示。

首先，人頭部和手部的運動信號有運動跟蹤傳感器和數據手套測量。這些數據經過適當的處理后，通過網絡發送到圖像生成節點，計算生成相應的位姿變換矩陣，生成視點變換矩陣，進而生成顯示畫面以及手部的圖像。另外操縱桿信號（位置和姿態），通過網絡發送到圖像生成計算機，用以驅動漫游者的運動。

2.1 手部運動矩陣變換

通過安裝在數據手套腕部的6DOF運動跟蹤器及數據手套可測量出手掌及小臂的全部運動參數，通過這些參數可以解算出手掌及小臂的運動。

假設在某一時刻手腕傳感器的輸出為[（xw，yw，zw，ψw，θw，γw）]，則傳感器坐標系[OwXwYwZw]到測量坐標系[OmXmYmZm]的變換矩陣為[4?5]：

3 試驗結果

本文選用普通商用計算機作為實驗平臺，實現了機艙交互漫游系統的開發，結果表明：系統具有較好的沉浸感，可以滿足船員艙室漫游、設備交互操作、聯網訓練的要求，仿真過程平均運行速率為30 f/s。圖5為本系統試驗虛擬手與操控臺按鈕碰撞檢測響應結果圖。

4 結 語

本文所研究的系統對數字化城市、數字化博物館等研究具有一定的借鑒意義。系統存在如下不足：部分操控臺及機艙設備的紋理真實度不高，有待進一步改進；在對艙室設備建模時，采用獨立建模再綜合集成方式實現，未消除部分遮擋面片，后續可以進一步改進以提高渲染速率。

參考文獻

[1] 石教英.虛擬現實基礎及實用算法[M].北京：科學出版社，2002.

[2] 逄守文，陳輝，陸暢.大型船舶虛擬機艙視景仿真系統的開發[J].船海工程，2005（5）：5?7.

[3] 許軼超，陳輝，陳偉.基于虛擬現實技術的機艙漫游系統[J].交通與計算機，2003（1）：9?12.

[4] 孫俊，商蕾.實時視景仿真技術在疏浚仿真訓練器中的應用[J].計算機仿真，2004，21（7）：136?138.

[5] 楊清文，鄭義，王曉敏，等.火箭炮虛擬漫游系統的設計與實現[J].計算機工程，2010，36（2）：262?265.

[6] 溫轉萍，申閆春.基于OSG的虛擬校園漫游系統的設計與實現[J].計算機技術與發展，2009，19（1）：217?220.endprint